铸造镍基高温合金K417G中高温拉伸断裂机理研究

研究了高温合金K417G热等静压热处理后700℃和950℃时拉伸的断裂机制,使用万能试验机进行中高温拉伸试验,通过扫描电子显微镜对组织、断口形貌、断口纵截面进行观察。结果表明:热处理后试样枝晶形貌明显,枝晶干上γ′相立方度较高,尺寸为0.4~0.5μm,且排列整齐,枝晶间有尺寸为1.5~2.6μm的花瓣形γ′相析出。与700℃时试样的拉伸性能相比,950℃时抗拉强度降低了46.3%,而伸长率提高了200%,这说明高温拉伸强度降低,塑性增加。中温拉伸时,枝晶间长条形碳化物是断裂的主要裂纹源及扩展通道。而高温拉伸时,晶界处的碳化物、共晶成为裂纹源,裂纹沿晶界扩展,形成了沿晶断裂形貌。

S对铸造高温合金K417G凝固行为的影响

在1340~1230℃采用等温凝固实验,研究了w[S]分别为0.0001%、0.0018%和0.0037%对K417G合金凝固特性的影响。结果表明,S降低合金的固相线温度,扩大固液两相区,当w[S]从0.0001%增加到0.0037%时,合金的固相线温度由1255℃降低至1245℃。在凝固过程中S元素偏析于液相,并在终凝区析出Y相,且S促进Al、Cr元素在固液界面处的富集。在相同等温温度下,S元素对MC碳化物和γ+γ’共晶的析出温度与形貌无明显影响,但S含量的增加促使MC碳化物、γ+γ’共晶和Y相数量的增加,且Y相的析出温度从1230℃提升至1240℃。

热处理制度对K417G铸造高温合金组织和性能的影响

对K417G合金经过“1080℃/4h,AC+870℃/12h,AC”固溶+时效热处理后的显微组织、性能进行了研究。结果表明,与铸态相比,经“1080℃/4 h,AC”固溶处理后,铸态部分γ′相已经溶解,并且初生γ′相附近聚集着尺寸更小的二次γ′相颗粒;室温抗拉强度和塑性提高,而900℃抗拉强度变化不大,塑性指标却明显降低。再经“870℃/12 h,AC”时效处理后,γ′相呈现为规则的立方形,二次γ′相有所长大,尺寸约为20~100 nm;900℃塑性指标有一定提升,其他力学性能与铸态相比变化不明显。

低氧氮含量K417G镍基高温合金生产工艺

介绍了低氧氮含量K417G镍基高温合金的生产工艺,着重讨论了合金制备不同阶段的脱气处理方法,并阐述了不同工艺环节避免气体带入的措施。在合金熔炼前通过预脱气尽可能去除表面吸附气体;在化料期将化料功率设定为300~750kW,并将单次加料量控制在500kg以下,使氧氮含量分别降至0.0018%和0.0014%;在精炼期控制合金熔液温度在1582℃,并利用碳脱氧反应精炼80min,使氧氮含量分别降低到0.0006%和0.0002%;精炼结束后加入活泼元素作为强脱氧剂,并维持20min以上,进一步将氧含量降低到0.0003%,顺利完成了低氧氮含量K417G镍基高温合金的生产。

浇注温度对K417G合金组织及力学性能的影响

研究了不同浇注温度下的K417G合金试样。结果表明,1 450℃浇注,合金中碳化物以块状为主,γ′相边缘钝化,γ′尺寸为1μm左右;1 500℃浇注,合金中碳化物以长条形为主,γ′相边缘清晰,立方度较好,γ′尺寸为0.8μm左右。1 450℃浇注的合金屈服强度及断裂强度均高于1 500℃浇注的合金。合金拉伸裂纹主要产生于碳化物处,1 450℃浇注的合金,碳化物尺寸较小,产生裂纹需要的应力较大;1 500℃浇注的合金,碳化物细长,碳化物断裂所需应力较小。在760℃/645 MPa条件下,1 450℃浇注的合金,平均持久寿命可达到219 h,而1 500℃浇注的合金,平均持久寿命仅为25 h。前者的断裂方式为穿晶断裂,后者为沿枝晶断裂,断口上存在有部分疏松组织。

室温大气环境下K417G合金及其表面Ni(Co)CrAlYSi涂层的磨损特性

研究K417G合金及其表面Ni(Co)CrAlYSi涂层在室温大气环境下的磨损特性。结果表明:K417G合金及其表面Ni(Co)CrAlYSi涂层的磨损受磨损亚表层疲劳脱层和磨损表面环境脆性的共同作用,致使其磨损率高于纯Ni的。在磨损过程中,环境脆性逐渐作用于磨损表面,磨损表面的裂纹源在γ/γ′界面以及碳化物与合金基体界面形核,裂纹既沿着γ/γ′面以及碳化物与合金基体界面扩展,又进入γ′晶粒,呈现沿晶和穿晶混合状。

K417G合金焊接修复用高温合金粉末设计与工艺

航空发动机涡轮导向叶片在服役过程中形成的裂纹可以采用钎焊粉末冶金修复技术进行修复,针对低压涡轮导向叶片材料和结构特点,设计了K417G合金修复所需的不同成分的粉末填充材料,测试了不同粉末粒度配比的振实密度值,采用金相法、压汞法评估了不同烧结条件下粉末烧结体的孔隙率、平均孔径、中值孔径、最可几孔径等烧结体性能值,优选了粉末填充材料,在此基础上开展了钎焊粉末冶金修复工艺研究,分析测试了钎焊粉末冶金修复接头冶金组织.结果表明,接头成形良好,焊料润湿铺展充分,接头致密饱满,无明显焊接缺陷.

K417G合金粉末冶金修复接头组织与力学性能分析

针对低压涡轮导向叶片材料K417G合金开展粉末冶金修复技术研究,分析测试钎焊接头组织与高温拉伸性能和高温持久性能.结果表明,K417G合金可以采用粉末冶金钎焊技术进行裂纹修复,钎焊接头主要由镍基固溶体和少量块状骨架状的富Cr,W的硼化物组成,钎焊接头成形良好,焊料润湿铺展充分,冶金组织为致密等轴晶.K417G合金粉末冶金钎焊修复接头900℃高温抗拉强度达到母材同等强度的75%;接头900℃高温持久性能在焊缝占比100%的条件下,达到母材的70%;焊缝占比50%的接头900℃高温持久性能与母材相当.

K417G合金γ+γ′共晶初熔特性及影响因素研究

采用水淬法测定出铸态及采用不同温度阶段处理后的K417G合金γ＋γ′共晶相的初始熔化温度,对铸态合金及水淬处理后的合金的微观组织采用扫描电镜进行观察,确定出阶段热处理对合金中γ＋γ′共晶相的初始熔化温度的影响.研究结果表明：铸态K417G合金中的γ＋γ′共晶相主要由细小的γ＋γ′共晶组织和粗大的γ′相组成,在共晶相的前沿存在少量的硼化物共晶组织.铸态K417G合金中的γ＋γ ′共晶组织的熔化主要发生在共晶相的前沿,熔化后出现大量的白色组织相.电子探针对熔化区的分析表明,熔化后形成的激冷组织主要为γ＋γ′共晶,熔化区主要富集B、Mo和Cr元素.铸态合金中的γ＋γ′共晶的初熔温度为1 220～1 230℃,而经1 090℃、1 100℃和1 110℃阶段处理10h后合金中的γ＋γ′共晶的初熔温度升高至1 280～1 290℃.

凝固冷速对铸造镍基高温合金K417G显微组织的影响

对铸造镍基高温合金K417G进行了不同冷却速率的凝固试验,并对凝固后的试样进行了光学金相和定量金相分析,研究了凝固冷速对合金显微组织的影响,通过线性回归的方法确定了平均枝晶间距与凝固冷速的关系。结果表明:凝固冷速增大明显细化树枝晶、MC碳化物和(γ+γ′)共晶。冷速对MC碳化物的量影响不大,但对(γ+γ′)共晶量有明显影响,过快和过慢的冷速都能引起(γ+γ′)共晶量增加。K417G合金的平均枝晶间距(λ/μm)与凝固时冷速(V/℃.s-1)存在λ=85.1V-0.35的对应关系,根据该关系式可以通过测量铸件不同部位的平均枝晶大小确定该部位凝固时的冷却速率。

K417G高温合金涡轮叶片真空热处理工艺优化

合金元素在一定的温度及真空度下会产生蒸发,这对零件的真空热处理质量、对真空加热室的污染均有不利影响。通过对材料合金元素蒸汽压的分析,对原有真空热处理工艺方案进行分析,采用分压的方式,可防止合金元素的蒸发,又可获得光亮的表面。

直流电场作用对K417G镍基高温合金凝固组织的影响

研究了直流电场作用下 K417G镍基高温合金凝固组织的变化。实验结果表明 :电场作用改变了枝晶组织的生长形态和碳化物的形貌 ,并引起了凝固组织择优生长取向的变化及第二相的分布和形态的变化。

铸造试棒形状对K417G镍基高温合金组织及持久性能的影响

通过对不同形状的K417G合金铸造试棒(锥形、R5、R30)进行OM、SEM组织形貌观察,760℃/645 MPa试样持久性能测试以及断裂组织分析,研究了铸棒形状对K417G合金组织及持久性能的影响。结果表明,锥形铸棒芯部为等轴晶,边缘为柱状晶,而R5和R30铸造试棒内部均由等轴晶构成。锥形铸棒枝晶间区域内的碳化物及共晶组织尺寸较大,合金内部疏松数量较多。裂纹在枝晶间及晶界处的碳化物内及共晶边缘处萌生,并沿枝晶间或晶界横向扩展,形成宏观裂纹是合金的主要断裂机制之一。另一方面,合金内部的疏松相互连接也可形成裂纹,加速合金持久断裂,是合金的另一主要断裂机制。其中,锥形铸棒中碳化物、共晶组织及疏松数量较多,被认为是其持久寿命较低的主要原因。

热障涂层对K417G合金高温低周疲劳行为的影响

研究了涂覆热障涂层的K417G合金800℃下由应变控制的高温低周疲劳行为,并对其循环应力-应变数据和应变-疲劳寿命数据进行了分析,给出了涂覆热障涂层K417G合金的高温应变疲劳参数。结果表明:K417G合金无涂层和涂覆热障涂层状态下的低周疲劳均属于应力疲劳,以弹性损伤为主;总应变幅较大时,涂覆热障涂层的K417G合金低周疲劳寿命稍优于无涂层的K417G合金。疲劳试样断口的微观分析表明:热障涂层对K417G合金低周疲劳裂纹萌生方式无明显影响;疲劳裂纹通常萌生于疲劳试样的表面或近表面,表现为穿晶扩展。

K417G合金铸件荧光显示问题研究

精密铸造生产中,采用铝酸钴表面孕育处理,细化K417G涡轮叶片表面晶粒,但在铸件表面渗透荧光检测过程中,出现大量点状显示,不能满足标准要求。本研究通过采用光镜、扫描电镜对缺陷铸件进行解剖分析及对型壳表面进行分析,并利用体式显微镜等进行观察,确定出型壳中荧光显示的主要原因是由于铝酸钴含量过高,与合金反应产生大量的氧化物和气体,从而使铸件表面产生气孔和夹杂缺陷。通过调整型壳表面层铝酸钴含量,并控制涂料粘度,对型壳涂制工艺进行改进,解决了K417G合金铸件荧光显示问题。

精炼及浇注温度对K417G镍基高温合金组织及持久性能的影响

采用不同精炼及浇注温度制备K417G镍基高温合金,通过对合金的组织形貌进行观察分析,以及测试合金在760℃/645 MPa下的持久性能,研究了精炼温度、浇注温度等铸造工艺参数对K417G镍基高温合金组织及持久性能的影响。结果表明,提高精炼温度可降低铸态合金组织中的碳化物尺寸,并使碳化物分布更加均匀;降低浇注温度可降低合金的晶粒尺寸、枝晶间距以及碳化物尺寸,并使合金的共晶组织由γ'共晶转变为(γ+γ')共晶。合金在760℃/645 MPa拉伸持久期间的主要断裂机制为裂纹在枝晶间区域内的MC碳化物处萌生,并沿正应力方向扩展,导致合金发生持久断裂。其中,采用1500℃精炼,1450℃浇注的合金中碳化物尺寸较小且弥散分布是其具有较高持久寿命的主要原因。

K417G铸造高温合金的尺寸效应对组织和性能的影响

研究了铸造尺寸效应和加工尺寸效应对铸造高温合金Ｋ４１７Ｇ高温性能的影响，结果表明、未经机械加工的Ｋ４１７Ｇ合金薄壁试样的高温持久性能与标准试样相当，无薄壁效应；而经大余量机械加工得到的薄壁试样，其高温持久性能下降。

真空熔炼K417G合金脱氧脱氮研究

分析了采用真空感应炉熔炼镍基高温合金K417G过程中熔化期、精炼期和合金化期对氧氮气体含量的影响.研究表明:熔化期主要脱除氧,其次是氮;精炼期添加碳,合金化期添加铝,能够很好地降低合金氧氮含量,使合金中O≤10×10-6,N≤5×10-6.

K417G合金显微组织分析

通过扫描电镜分析了K417G合金显微组织。分析结果表明:K417G合金中析出相主要TiC、ZrC和Ti(C,N)化合物及(γ+γ')共晶组织。并且,氮元素在K417G合金中主要以Ti(C,N)形式存在。

渗铝硅层对K417G涡轮叶片抗热冲击性能的研究

研究了渗铝硅层对长寿命K417G涡轮叶片抗热冲击性能的影响及K417G材料的组织稳定性。结果发现,带渗铝硅层与无渗铝硅层的K417G涡轮叶片抗8000次热冲击循环的能力基本相当,但带渗铝硅层叶片抗氧化和腐蚀能力显著强于无渗铝硅层叶片。通过低倍腐蚀观察发现,试验对K417G涡轮叶片基体晶粒度无明显影响,但渗铝硅工艺有利于晶粒细化。通过显微组织观察发现,试验后K417G材料涡轮叶片γ′相均排列整齐、边界清晰,表明8000次热冲击循环对叶片显微组织影响较小。